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当今世界用人工心脏代替自然心脏移植成为了拯救心脏病患者生命的主要手段。人工心脏泵是人工心脏的核心部件。电动式的人工心脏泵因其具有方便性和可移植性,具有研究价值。然而利用旋转电机驱动,将旋转运动转换为直线运动所需的传动机构势必造成了磨损部件的增加,导致了人工心脏系统的可靠性和使用寿命减低。而采用直线电机驱动的人工心脏泵能很好的解决这类问题。因此,直线电机满足人工心脏泵使用要求。目前已有的应用于人工心脏泵的直线电机种类主要有三种。然而,各有弊端。
本文提出了一种新型的双定子圆筒型永磁直线电机应用于人工心脏泵领域,双定子电机在缩小电机体积、提高功率密度方面具有优势。圆筒型电机绕组无端部,可降低铜耗。论文主要研究成果包括以下几个方面:
1.引入容错思想,同时结合定子永磁型电机高功率密度、高可靠性的优点,设计出了两种磁路类型的磁通切换式的双定子永磁直线电机,分别为磁路并联型和磁路串联型。
2.电机的二维物理模型在Ansoft平台下建立起来,对电机内的电磁场进行分析与计算。从电机电枢磁场和永磁磁场分布特点、永磁磁链、空载反电势、定位力、电感、推力等方面分别分析了两种电机的静态特性,并对两种电机的尺寸大小、定位力、推力密度、铜耗、铁耗进行了对比。
3.本文针对特定结构的磁通切换式直线电机提出了一种分离定位力组成的方法,并通过改变左、右边端齿相对位置的措施来使左、右边端力互补抵消,从而达到减小定位力的目的。
4.针对本文提出的磁路并联型两相电机,提出了一种最小化定位力的电机设计方案;利用动子内、外侧凸极齿整体错位90°电角度的关系,通过优化设计使得电机动子内、外侧定位力成180°电角度的关系,从而互补抵消,最小化电机定位力。
5.磁路串联型电机重点分析了电机的边端效应对反电势特性的影响以及提出了四种解决办法:(1)两相反电势相位差不为90°电角度的情况下,为了得到平稳的永磁推力,通过公式推导得出应通入的两相电流相位差;(2)三种方法使得电机两相反电势相位差为90°电角度。
6.上述四种解决边端效应的办法都各有弊端,所以本文对磁路串联型电机结构做了改进,使得电机边端效应对电机反电势特性的影响较小,同时电机定位力大幅度减小,并分析了定位力减小的原因,同时,从解析式的角度推导了改进后电机的推力表达式,分析了影响推力脉动的原因。